Конверторы систем бесперебойного электроснабжения

Известно, что для электроснабжения автоматизированных устройств управления и защиты в основном применяются источники напряжения постоянного тока, выпрямители и конверторы, последние могут потреблять электроэнергию, как от выпрямителей, так и аккумуляторных батарей. Конверторы осуществляют преобразование напряжения постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока повышенной или пониженной величины (в сравнении с входным напряжением) [1, 2].

Широкое применение конверторы находят в настоящее время в автономных системах электроснабжения, выполненные с использованием возобновляемых источников энергии [3, 4].

Конструктивно конверторы содержат три преобразователя: инвертор (И), трансформатор (Т) и выпрямитель (В). Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в переменное, как правило, повышенной частоты, трансформатор согласует напряжение источника питания с нагрузкой, а выпрямитель преобразовывает напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.

Стабилизация выходного напряжения конверторов может осуществляться как за счет силовых электронных приборов инвертора, так и за счет электронных приборов выпрямителя В, в этом случае его силовая схема его выполняется на тиристорах или транзисторах [5]. Для обеспечения требуемого качества выходного напряжения на выходе конверторов применяются сглаживающие фильтры Ф.

От эксплуатационно-технических характеристик конверторов зависят и характеристики систем, обеспечивающих бесперебойное электроснабжение ответственных потребителей электроэнергии. Основными недостатками эксплуатируемых в настоящее время конверторов являются низкие значения КПД и показателей надежности, из-за большого числа полупроводниковых приборов, содержащихся в силовой части инвертора и выпрямителя, а также конверторы имеют относительно сложные системы стабилизации параметров электроэнергии и системы защиты [6].

В статье предлагаются новые структурно-схемные решения конверторов с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками, новизна технических решений которых подтверждена патентами РФ [7, 8]. напряжение конвертор батарея электроснабжение Для того чтобы уменьшить массу и габариты трансформатора, рабочая частота инвертора выбирается по возможности высокой (в диапазоне 3 — 20 кГц). Несмотря на то, что поток преобразуемой электроэнергии в конверторах проходит через несколько преобразователей электроэнергии и понижает в комплексе его КПД, однако промежуточная повышенная частота тока позволяет значительно уменьшить массу конвертора (5 — 30 раз, в зависимости от мощности) [9].

Применение в конструкции конверторов трансформаторов с вращающимся магнитным полем позволяет также улучшить их технические характеристики [10, 11].

Функциональная схема конвертора с промежуточным высокочастотным преобразованием, выполненная на резонансном инверторе. Схема содержит: резонансный инвертор РИ, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, конденсатор инвертора C1, трансформатор с вращающимся магнитным полем T с первичными обмотками W₁₁, W₁₂ и вторичными обмотками W₂₁, W₂₂, фазосдвигающий конденсатор C2, выпрямитель В, выполненный на диодах VD1 и VD2, обратный диод VD3, выходной фильтр Ф, содержащий дроссель Д и конденсатор C3, систему стабилизации напряжения CСН, в составе которой используются делитель напряжения ДН, формирователь импульсов ФИ, генератор опорного сигнала ГОС, распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1, УИ2. На рисунке 2 показаны также выводы для подключения источника питания конвертора с напряжением U_вх и выводы для подключения нагрузки с напряжением U_вых.

Конвертор работает следующим образом. Входное напряжение U_вх постоянного тока поступает на вход резонансного инвертора PИ. Резонансный контур в инверторе образуется конденсатором C1 и дросселем Д выходного фильтра Ф. К примеру, в исходном состоянии конденсатор инвертора C1 разряжен. Для формирования положительной полуволны выходного напряжения инвертора U_аб система стабилизации напряжения ССН подает управляющий импульс на транзистор VT1 он открывается, и конденсатор инвертора C1 начинает заряжаться от источника входного напряжения U_вх таким образом, что его выводы будут иметь потенциалы, указанные знаками. Ток заряда конденсатора инвертора C1 будет протекать через первичные обмотки W₁₁, W₁₂ трансформатора T и фазосдвигающий конденсатор C2. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора система стабилизации ССН закрывает транзистор VT1 и открывает транзистор VT2. В этом случае конденсатор инвертора C1 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда протекает по первичным обмоткам трансформатора T и фазосдвигающий конденсатор C2 в обратном направлении.

Таким образом, по первичным обмоткам W₁₁ и W₁₂ трансформатора T протекает переменный ток, вызывающий действие вращающегося магнитного и соответственно ЭДС во вторичных обмотках W₂₁, W₂₂, которые размещены на сердечнике трансформатора. Выпрямитель В преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр Ф сглаживает пульсации обеспечивая требуемое качество выходного напряжения конвертора U_вых .

Система стабилизации напряжения конвертора работает следующим образом. С выхода конвертора сигнал пропорциональный величине выходного напряжения U_вых, являющийся ведущим для системы стабилизации ССН, через делитель напряжения ДН поступает на один из входов формирователя импульсов ФИ. На второй вход формирователя импульсов ФИ поступает сигнал U_ГОС от генератора опорного сигнала ГОС.

Когда сигнал U_ГОС > U_ДН формирователь импульсов ФИ формирует импульсы управления которые через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1, УИ2 поступают на управляющие электроды транзистора VT1 или транзистора VT2. Работа распределителя импульсов РИ синхронизирована с опорным напряжением генератора ГОС, для обеспечения формирования положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения U_аб резонансного инвертора РИ. Угол управления транзисторами ₁ соответствует номинальному режиму работы конвертора.

Если, к примеру, выходное напряжение конвертора U_вых уменьшится, то уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения ДН и уменьшится угол управления транзисторами до величины ₂, а значит увеличится выходное напряжение резонансного инвертора U_аб и соответственно увеличится выходное напряжение конвертора U_вых.

Выходной фильтр Ф конвертора кроме функций создания колебательного контура и обеспечения требуемого качества выходного напряжения, выполняет функции накопителя электрической энергии и в моменты времени, когда существует пауза между работой транзисторов VT1 и VT2, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку, тем самым улучшает качество выходного напряжения конвертора. Контур для протекания тока от фильтра в нагрузку, когда закрыты транзисторы, создается обратным диодом VD3.

Предложенное техническое решение преобразователя позволяет улучшить его показатели надежности, КПД и качества выходного напряжения [8].

Новизна технического решения заключается в том, что в конверторе применяется трансформатор, содержащий среднюю точку в первичной и во вторичной обмотках, выпрямитель, выполнен на двух диодах, а высокочастотный инвертор — на двух транзисторах, система управления которого обеспечивает стабилизацию выходного напряжения. Поскольку выпрямитель соединён последовательно с входными выводами стабилизатора, то выходное напряжение стабилизатора напряжения постоянного тока определяется по формуле.

U_ВЫХ = U_ВХ + U_В.

Таким образом, выпрямитель выполняет функции вольтодобавочного устройства, питание которого осуществляется от высокочастотного инвертора.

Конвертор работает следующим образом. С выхода генератора пилообразного напряжения ГПН сигнал u_ГПН поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ, на второй вход которого сигнал u_ДН поступает от делителя напряжения ДН вход которого соединён с выходом конвертора. Когда u_ГПН > u_ДН на выходе формирователя импульсов формируется управляющий сигнал u_ФИ который через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1 и УИ2, поступает на управляющие электроды транзисторов VT1 или VT2.

Если, к примеру, напряжение на выход конвертора уменьшится, то и уменьшится напряжение u_ДН уменьшится угол управления транзисторами с б₁ до б₂. Временной интервал открытого состояния транзисторов VT1 и VT2 увеличится, а значит и увеличится выходное напряжение выпрямителя U_В и соответственно выходное напряжение стабилизатора U_ВЫХ.

Принцип работы конвертора. Система стабилизации напряжения ССН поочередно открывает транзисторы VT1 или VT2 и по первичной обмотке трансформатора T протекает переменный ток, который во вторичной обмотке наводит переменную ЭДС. Выпрямитель, выполненный на двух диодах VD1 и VD2, преобразует напряжение переменного тока в постоянны, а выходной Г-образный фильтр Ф сглаживает его пульсации обеспечивая требуемое качество выходного напряжения U_ВЫХ.

Система ССН стабилизирует напряжение следующим образом. С выхода конвертора сигнал поступает на вход делителя напряжения ДН, выходной сигнал которого u_ДН пропорциональный величине выходного напряжения U_ВЫХ, является ведущим сигналом для системы стабилизации напряжения ССН. Сигнал u_ДН поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ, на второй вход которого поступает сигнал пилообразной формы u_ГОС от генератора опорного сигнала ГОС. Когда u_ГОС > u_ДН, формирователь импульсов ФИ формирует импульсы управления u_укоторые через распределитель импульсов РИ и усилители импульсов УИ1 и УИ2 поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 или VT2. На выходе выпрямителя формируется напряжение u_В.

К примеру, когда выходное напряжение U_вых уменьшится, тогда и уменьшится напряжение u_ДН на выходе делителя напряжения ДН. Это приведет к увеличению длительности управляющих сигналов u_у, поступающих на транзисторы VT1 и VT2, они больше времени будут открыты, и будет увеличиваться напряжение u_В на выходе выпрямителя и соответственно выходное напряжение на выходе конвертора U_ВЫХ.

Таким образом, рассмотренные структурно-схемные решения силовых схем конверторов и их систем стабилизации напряжения имеют улучшенные эксплуатационно-технические характеристики (массогабаритные показатели, показатели надёжности и КПД) в сравнении с известными техническими решениями конверторов, за счёт применения промежуточного высокочастотного преобразования и уменьшенного количества силовых электронных приборов.

• 1. Григораш О. В., Божко С. В., Нормов Д. А. и др. Модульные системы гарантированного электроснабжения. Краснодар. 2005.
• 2. Григораш О. В., Богатырев Н. И., Курзин Н. Н. Системы автономного электроснабжения. Краснодар. 2001. С. 333.
• 3. Григораш О. В., Степура Ю. П., Сулейманов Р. А. и др. Возобновляемые источники электроэнергии. Краснодар. 2012. С. 272.
• 4. Григораш О. В., Степура Ю. П., Пономаренко А. С. и др. Современное состояние производства электроэнергии возобновляемыми источниками в мире и России. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С.159−163.
• 5. Богатьрев Н. И., Григораш О. В., Курзин Н. Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования. Краснодар. 2002. С. 358.
• 6. Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения. Краснодар. 2011. С. 188.
• 7. Устройство стабилизации напряжения постоянного тока. Григораш О. В., Шевченко А. А., Шульга Р. В. и др. Патент на изобретение RUS 2 444 832 10.03.2012.
• 8. Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока. Богатырев Н. И., Григораш О. В., Дацко А. В. и др. Патент на изобретение RUS 2 210 100 10.08.2003.
• 9. Григораш О. В., Новокрещенов О. В., Хамула А. А. и др. Статические преобразователи электроэнергии. Краснодар. 2006. С. 264.
• 10. Григораш О. В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7.
• 11. Григораш О. В., Кабанков Ю. А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3.